автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Разработка процессов гибки тонкостенных крутоизогнутых патрубков проталкиванием и раздачей трубных заготовок

На правах рукописи

БОЛТЕНКОВА Оксана Михайловна

РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССОВ ГИБКИ ТОНКОСТЕННЫХ КРУТОИЗОГНУТЫХ ПАТРУБКОВ ПРОТАЛКИВАНИЕМ И РАЗДАЧЕЙ ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК

Специальность: 05.02.09 - Технологии и машины обработки

давлением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 НОЯ 2013

005538913

Воронеж - 2013

005538913

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Егоров Владислав Геннадьевич

Официальные оппоненты: Евсюков Сергей Александрович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана», заведующий кафедрой МТ-6; (г. Москва)

Крук Виталий Александрович

кандидат технических наук, директор ООО НПФ (научно-производственная фирма) «Мехпресс» (г. Воронеж)

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Липецкий

государственный технический университет» (г. Липецк)

Защита состоится 18 декабря 2013 г. в 14— часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.04 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026 г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Автореферат разослан « » ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Развитие авиастроения является одним из ключевых приоритетов российской промышленной политики. Создаваемые летательные аппараты (ЛА) должны отличаться от предшествующих поколений авиационной техники повышенным ресурсом и уменьшенной полетной массой изделия.

Одним из элементов трубопроводных систем ЛА является крутоизогнутын патрубок, который относится к разряду особо- и сверхтонкостенных элементов трубопровода, так как отношение £)// (О - диаметр трубной заготовки, I - толщина стенки трубной заготовки) имеет следующие значения: 30 <£>//< 130 - для особо-тонкостенных и £>//> 130-для сверхтонкостенных. На данный момент для получения особотонкостенных крутоизогнутых патрубков наиболее приемлемым способом является гибка проталкиванием через криволинейный ручей матрицы с приложением внутреннего давления наполнителя. В настоящие время этот способ хорошо изучен теоретически, однако вопросы повышения несущей способности входного торца трубной заготовки и равномерности пластических деформаций не решены, что влечет за собой возникновение гофров и разрывов материала на готовых изделиях. Способа для изготовления качественных патрубков, с отсутствием браковочных признаков, при отношении ОИ> 130 в настоящие время не существует.

Поэтому необходимо выдать практические рекомендации для изготовления особотонкостенных крутоизогнутых патрубков и создать способ для изготовления сверхтонкостенных патрубков, которые позволили бы снизить полетную массу изделия, повышая при этом ресурс планера ЛА.

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» на кафедре «Техническая механика» в 2010-2013 гг. в соответствии с государственным контрактом № 13411.1003899.18.001 от 29.12.2012 г. на выполнение опытно-конструкторской работы «Создание нового семейства ближ-не-среднемагистральных самолетов», шифр «Развитие МС-21».

Целыо работы является совершенствование имеющихся и создание новых способов, технологических процессов и устройств

для получения элементов высокоресурсного трубопровода с изогнутой осью, разработка научно обоснованных рекомендаций для выбора оптимальных режимов процессов их формообразования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Определить кинематику пластического течения при гибке патрубков раздачей внутренним давлением эластичной среды.

2. Провести теоретическое обоснование выбора величины основных энергосиловых параметров процесса формообразования крутоизогнутых патрубков раздачей.

3. Экспериментально определить величину давления раздачи процесса формообразования сложнопрофильного полуфабриката крутоизогнутого патрубка.

4. Создать и усовершенствовать способы для изготовления крутоизогнутых патрубков с повышенным ресурсом и минимальной полетной массой, а также устройства для их реализации.

5. Разработать технологию формообразования элементов высокоресурсного трубопровода с изогнутой осью.

6. Определить ресурсные характеристики натурных узлов трубопровода с формообразованными элементами типа «крутоизогнутый патрубок».

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены на основе метода верхней оценки. Эксперименты проводились на специализированной установке на базе универсального гидравлического пресса с использованием разработанной и созданной для производства крутоизогнутых патрубков штамповой оснастки. Качество трубных заготовок и готовых изделий оценивали при помощи современного испытательного оборудования.

Научная новизна работы

1. Разработана модель, описывающая кинематику пластического формоизменения тонкостенного сложнопрофильного полуфабриката крутоизогнутого патрубка, позволяющая установить связь между геометрией детали, интенсивностью деформации и энергосиловыми параметрами процесса раздачи.

2. Разработаны и научно обоснованы способы гибки особо- и сверхтонкостенных крутоизогнутых патрубков, повышающие рав-

померность формоизменения в зонах пластического течения и несущую способность стенки входного торца трубной заготовки.

3. Установлены режимы предварительной ротационной раскатки (РР) прямошовных трубных заготовок, при которых структура материала сварного шва и околошовной зоны может быть максимально приближена к структуре основного металла трубной заготовки, что способствует повышению равномерности пластического формоизменения в последующих гибочных операциях.

Практическая значимость

1. Разработаны и внедрены технологические процессы гибки проталкиванием и раздачей особо- и сверхтонкостенных трубных заготовок с применением внутреннего давления наполнителя.

2. Построены номограммы для определения энергосиловых параметров процесса раздачи сложнопрофильного полуфабриката крутоизогнутого патрубка из трубной заготовки.

3. Установлено, что предложенная технология изготовления крутоизогнутых патрубков позволяет снизить уровень брака на 40%, себестоимость готовых изделий в 1,3 раза.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены при постановке производства изделия АН-148 в ОАО «Воронежское акционерное самолетостроительное общество».

Апробация работы. Основные положения работы прошли обсуждение на международных и российских научных конференциях: XXVII Российской школе, посвященной 150-летию К.Э. Циолковского, 100-летию С.П. Королева и 60-летию Государственного ракетного центра «КБ им. академика В.П. Макеева (Екатеринбург, 2007), V международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2008); ХЫХ Отчетной научной конференции преподавателей и научных сотрудников ВГТА (Воронеж, 2011); ХХХХ1 Всероссийском симпозиуме «Механика и процессы управления» (Миасс, 2011); XXXI Всероссийской конференции «Наука и технологии» (Миасс, 2011); V всемирном конгрессе «Авиация в XXI столетии» - «Безопасность в авиации и космические технологии» (Киев, 2012); международной научно-технической конференции «Адаптация технологических процессов к пищевым

машинным технологиям» (Воронеж, 2012); Ы Отчетной научной конференции преподавателей и научных сотрудников ВГУИТ (Воронеж, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ: в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен один патент РФ и одно положительное решение о выдаче патента РФ. В опубликованных работах личный вклад автора заключается: [1] - в определении внутреннего давления раздачи и интенсивности деформаций при штамповке крутоизогнутых и ступенчатых патрубков; [2] - в проведении сравнительного анализа данных, полученных в ходе ресурсных испытаний элементов трубопровода; [3] -в получении зависимости для определения угла скоса трубной заготовки; [4] - в определении геометрических размеров частей цилиндрических оболочек, повышающих несущую способность торца трубной заготовки; [5] - в предложении выполнить плоские и клиновые плиты с захватами, расположенными в зацеплении с пазами нижней полуматрицы; [6] — в предложении части параметров формулы для определения внутреннего давления эластичного наполнителя; [7] - в определении оптимального значения относительного напряжения осадки; [8] - в апробации способа формообразования полых деталей; [9] - в разработке математической модели геометрии патрубка, включая его сферические участки; [10] - в сравнительном анализе способов гибки тонкостенного трубопровода; [11] -в моделировании кинематики пластического течения материала трубной заготовки во время процесса гибки патрубков раздачей; [12] - в экспериментальном определении толщины стенки патрубка и степени деформации при гибке патрубков раздачей; [13] - в создании экспериментальной штамповой оснастки для формообразования крутоизогнутых патрубков; [14] - в апробации способа формообразования крутоизогнутых патрубков проталкиванием; [15] - в разработке экспериментального устройства для изготовления особотон-костенных трубных заготовок методом ротационной раскатки.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 75 наименований и 3 приложений. Основная часть работы изложена на 222 страницах и содержит 60 рисунков и 3 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, изложены основные положения, выносимые на защиту, показана научная новизна и практическая значимость диссертации, изложены методы исследований, а также отражена структура работы.

Первая глава посвящена анализу литературных источников ведущих отечественных и зарубежных ученых по теме диссертации. Показано, что в настоящее время в заготовительно-штамповочном производстве изготовление особо- и сверхтонкостенных крутоизогнутых патрубков осуществляется в основном следующими способами: гибкой проталкиванием через криволинейный ручей матрицы с приложением внутреннего давления наполнителя и гибкой раздачей внутренним давлением в штампах.

Процесс гибки труб проталкиванием с использованием внутреннего давления эластичного наполнителя является теоретически хорошо изученным, но в то же время вопросы повышения несущей способности тонкостенной трубной заготовки и равномерности пластических деформаций не решены и требуют детального изучения, а также выдачи практических рекомендаций.

Установлено, что процесс гибки раздачей сложнопрофильного трубчатого полуфабриката патрубка за счет внутреннего давления эластичного наполнителя в штампах является мало изученным и ряд задач, несмотря на, актуальность исследованы на недостаточном уровне.

Из анализа состояния проблемы были сформулированы задачи исследования. Во второй и последующих главах рассмотрены пути и методы решения поставленных задач.

Вторая глава посвящена теоретическому анализу процессов гибки патрубков раздачей внутренним давлением. Для этого была предложена математическая модель кинематики пластического течения материала трубной заготовки в конечной стадии формообразования сложнопрофильного полуфабриката патрубка. Эта стадия является наиболее важной для обеспечения необходимого качества готовых деталей. С целью получения зависимостей, позволяющих

оценить энергосиловые параметры процесса гибки патрубков раздачей, была рассмотрена конечная стадия процесса гибки (рис. 1).

Для моделирования кинематики пластического течения были выделены четыре зоны полуфабриката патрубка.

Рис.1. Схема формообразования н геометрические параметры слож-нопрофильного полуфабриката патрубка: /, 2, 3, -^-зоны; q - внутреннее давление эластичного наполнителя; /? - угол гиба; /? - радиус гиба; / - толщина стенки; г/ - радиус патрубка; г, 0,ср, г - координаты

Зона 4 является частью исходной трубной заготовки, деформации в этой зоне мало влияют на величину необходимого внутреннего давления ц. Поэтому при анализе формообразования эту зону не рассматривали.

Границы зон определяются следующими неравенствами: Зона 1 -/-,-/</•</;; 0<в<2тт; 0<<р</?/2. Зона 2 — г, - / < г < г,; 0 < <9 < 2л-; 0<г<И. Зона 3 -/-,-/< г </- ; 0 < # < 2л\ 0<<р<<р1. Поле перемещений, моделирующее пластическое течение в каждой зоне патрубка, удовлетворяет условию несжимаемости и кинематическим краевым условиям: г'

Зоны 1,2,3 ,', =-!—г\ =0;

Зона 1

Зона 2

ЗонаЗ

= 22 +

2Д + г

/ 2 N

^-ЗГ

V

<£<Р +

соъср

в 1.

2

( /

2/7 + 2Я +

ч V

— З/'^СОБ О

где V , I' ,- компоненты вектора перемещений.

Для определения внутреннего давления наполнителя д использовали уравнение баланса работ (закон сохранения механической энергии):

+ЛГ- О)

Здесь А.ж - работа, затрачиваемая на сжатие наполнителя:

А. =Л7;;У, (2)

где г0- радиус наружной поверхности трубной заготовки; /-ход нажимного пуансона. Ач - работа сил внутреннего давления

Лч=2л(]г[1(/М + 2И + к/Х (3)

где /с, = 0.75 при /? = тг/6; к1 = 1,1 при Р = л-/4 • А1и- работа пластической деформации:

Л.. =кг,/[г1(2к:+к,)+Ак1]. (4)

Л, - работа сил трения:

Ащ, = рс,,-[г;(1МГ + *,)+2лф + /?/?)]. (5)

Из соотношений (1), (2), (3), (4) и (5) следует, что необходимая для реализации гибки раздачей величина внутреннего давления равна:

__Аг/-Л;-(2^+^) + М,1_ (6)

4 ш;;/ + 2яг,1, {рЯ + 2Л + V,) - ///; [г; (7,1у9: + к,) + 2яй(А + №)' при р = я/6 Аг, = 0,75; = 6,6; = 25,7; к, = 13,6; /с, = 4,2; при р = л-/4 Л, = 1,1; Л, = 9,9; Аг, = 26,3; = 29,2; = 9,6.

Оценку интенсивности деформаций при нестационарном процессе деформирования проводили согласно известной методике по следующей зависимости:

е = —I +1 Я„</К)ДД, ' 2л/ЗК

где Но, Н1 - интенсивности деформаций сдвига в начальный и конечный момент деформирования; У„ - объем пластической области; Ай - изменение характерного геометрического параметра изделия в ходе деформирования.

На основании предложенной математической модели кинематики пластического течения при гибке патрубков раздачей были построены номограммы (рис. 2), показывающие связь между давлением наполнителя ц и радиусом патрубка г, при различных углах гиба Р, радиусах гиба патрубка Я и толщины стенки Л

Р.ИПа _ щ }Ша

а) б)

Рис. 2. Зависимость ц от г, для угла гиба р - ж /6: а - сплав АМгЗМ (ГОСТ 21631 -76); б - сплав ВТ 1 -О (ГОСТ 19807-91);

/ - Я = 2г,. Г = 0,4мм; 2 - Я = 2г,. / = 0,6 мм; 3 - Я = 3/,.

I = 0,4 мм; 4- Я = 3/-. / = 0,6 мм

По результатам теоретического анализа пластического течения при гибке патрубков раздачей были сделаны следующие выводы:

1. С ростом толщины стенки патрубка I и угла гиба /? интенсивность деформации возрастает, а с увеличением радиуса гиба патрубка по средней линии Я - уменьшается.

2. С увеличением г, при прочих равных условиях потребное давление ц возрастает, так как пластическая область становится более обширной.

3. Для формообразования патрубка с большей толщиной стенки требуется большее давление, так как жесткость поперечного сечения возрастает.

4. Формообразование патрубков с большим углом гиба происходит в более стесненных условиях, поэтому потребное давление раздачи возрастает.

5. С увеличением радиуса изгиба по средней линии И давление q уменьшается, так как пластическое течение металла стенки труб-нон заготовки будет менее затруднено.

В третьей главе была проведена проверка результатов теоретического анализа кинематики пластического течения при гибке патрубков раздачей и их сравнение с экспериментальными данными. Для этих целей были использованы особо- и сверхтонкостенные трубные заготовки, полученные методом РР с наружным диаметром 80, 90 и 100 мм и толщиной стенки / = 0,4 мм и I = 0,6 мм. В качестве исходного материала для изготовления трубных заготовок применяли: коррозионно-стойкую сталь 12Х18Н10Т (ГОСТ 5632-72) и титановые сплавы ПТ-7М, ВТ 1-0 (ГОСТ 19807-91). Формообразование крутоизогнутых патрубков производили в штампах.

Замеры внутреннего давления наполнителя проводились с помощью месдоз при формообразовании крутоизогнутых патрубков с радиусом гиба по средней линии И = 2г{, углом гиба /? = ;г/6 и Р = 7т/4. Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных значений показал, что давления, определяемые по зависимости (8), выше экспериментальных для сплава ВТ1-0 в среднем на 7,2%; стали 12Х18Н10Т - на 7,3%, сплава ПТ-7М - на 6,8 %. Превышение давления в данных условиях способствует доформовке сложнопро-фильного полуфабриката патрубка по всему контуру ручья штампа и, следовательно, зависимость (6) можно применять для определения внутреннего давления эластичного наполнителя при реализации гибки патрубков раздачей.

В четвертой главе были разработаны инженерные решения, применение которых позволяет осуществлять формообразование качественных крутоизогнутых патрубков за счет повышения равно-

мерности пластического формоизменения и несущей способности

стенки трубной заготовки.

При гибке патрубков раздачей (рис. 3) повышению равномерности пластической деформации способствует формование на заготовке дополнительных выпуклых поверхностей. Происходит это за счет того, что в матрице для изготовления крутоизогнутых патрубков помимо прямолинейного канала для размещения трубной заготовки и пересекающего криволинейного канала под прямым углом к его оси симметрии дополнительно выполнены полости, примыкающие к криволинейному каналу в зоне минимального радиуса гиба, выполненные в виде сегментов сферы диаметром равным диаметру

Рис. 3. Схема процесса штамповки сложнопрофильного полуфабриката патрубка раздачей эластичным наполнителем: 1 - трубная заготовка, 2 - эластичный наполнитель, 3 - прямолинейный канал штампа; 4 - полуматрица; 5 - контейнер; 6 - нажимной пуансон; 7 -отформованная деталь; 8 - основание; 9 -направляющая; 10 - эластичный буфер; 11, 12-элементы криволинейного канала штампа.

Повышение равномерности пластического формоизменения может быть достигнуто за счет предварительной обработки трубной заготовки.

Для исключения влияния сварного шва на процесс изгиба была осуществлена его предварительная РР. Отработаны режимы РР, способствующие выравниванию микроструктуры сварного шва. околошовной зоны и основного металла прямошовной трубной заготовки. Установлена связь между степенью деформации при РР и равномерностью микроструктуры заготовки. Представлен металлографический анализ характерных зон трубной заготовки.

1\ р Г I иУ'Л м 1 1 VII 1 IVI V

_ _ „УДЦ^ЛугЦ I

В ходе формообразования патрубков проталкиванием через криволинейный ручей матрицы повысить равномерность пластических деформации можно следующим образом: в области торцов трубной заготовки формируют скосы симметрично относительно плоскости окружного сечения. Причем скосы образуют с плоскостями торцовых окружных сечений трубной заготовки угол а, определяемый по выведенной зависимости.

При гибке проталкиванием возникновения дефектов можно избежать за счет повышения несущей способности входного торца трубной заготовки (рис. 4) таким образом, что одновременно с установкой эластичного наполнителя 2 во внутреннюю полость трубной заготовки 3 помещают симметрично наименьшей образующей трубной заготовки 4 часть цилиндрической оболочки, ориентированную преимущественно в меридиональном направлении 5, а симметрично наибольшей образующей трубной заготовки 6 устанавливают часть цилиндрической оболочки, ориентированную преимущественно в окружном направлении 7 так. чтобы боковые срезы части цилиндрической оболочки 8 были параллельны скосу трубной заготовки 9 со стороны входного торца 10.

Рис. 4. Схема установки эластичного наполнителя и частей цилиндрических оболочек во внутренней полости трубной заготовки: 1 - трубная заготовка; 2 - эластичный наполнитель; 3 - внутренняя полость трубной заготовки; 4 - наименьшая образующая трубной заготовки; 5 - часть цилиндрической оболочки, ориентированной преимущественно в меридиональном направлении; 6 - наибольшая образующая трубной заготовки; 7 - часть цилиндрической оболочки, ориентированной преимущественно в окружном направлении: 8 - боковой срез части цилиндрической оболочки 7; 9 - скос трубной заготовки; 10- входной торец трубной заготовки

Разработана конструкция штампа с прямоугольным контейнером, клиновыми и плоскими плитами, применение которого позволило расширить номенклатуру штампуемых патрубков.

В пятой главе представлены результаты контроля качества изготовленных по предложенной технологии крутоизогнутых патрубков. Для измерения толщины стенки патрубков в характерных точках их разрезали на отдельные секторы. Измерением было установлено, что максимальная величина относительного утонения составляет 13%, а утолщения - 17,5%.

Для оценки ресурсных характеристик были изготовлены крутоизогнутые патрубки штамповкой полупатрубков с последующей их ручной сваркой; крутоизогнутые патрубки, формообразованные гибкой проталкиванием через фильеру с внутренним давлением наполнителя; крутоизогнутые патрубки, полученные гибкой раздачей эластичной средой. Все испытуемые образцы были изготовлены из сплава ВТ1-0, имели диаметр 80 мм и толщину стенки 0,8 мм. Отформованные партии патрубков подвергались испытаниям пульсирующим внутренним давлением. Установлено, что патрубки, изготовленные штамповкой из двух половин, отличаются пониженным ресурсом при циклическом нагружении. Они выдерживают до 890 циклов до разрушения, что соответствует 157 лётным часам. Патрубки, полученные с использованием прогрессивных технологий (гибка проталкиванием и гибка раздачей), выдержали от 195000 до 370000 и более циклов до разрушения. Следовательно, их циклическая долговечность соответствует от 34000 до 53000 и более летных часов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе разработанной модели кинематики пластического течения при гибке патрубков раздачей получена зависимость для определения конечного значения давления наполнителя, учитывающая влияние геометрических параметров исходной заготовки и готового изделия, механических характеристик используемых сплавов, а также величину контактного трения и порядок приложения внутреннего давления эластичного наполнителя.

2. Экспериментально установлено, что полученные теоретические значения энергосиловых параметров процесса находятся выше

экспериментальных, в среднем на 7,1 %, и тем самым обеспечивается доформовка сложнопрофильного полуфабриката патрубка по всему контуру ручья штампа.

3. Для повышения равномерности пластической деформации трубных заготовок в операциях формообразования крутоизогнутых патрубков и исключения влияния сварного шва и околошовной зоны на процесс пластического формоизменения необходимо осуществлять предварительную РР прямошовных трубных заготовок на специализированном оборудовании по следующему режиму, обеспечивающему допуск на толщину стенки у раскатных прямолинейных патрубков не более 0,02 мм:

степень деформации на каждом переходе не более. % 40

диаметр давильных элементов, мм 10

продольная подача, мм/об 0,2

количество давильных элементов, шт 12 - 36

частота вращения оправки, об/мин 200 - 300

4. Сварной шов. околошовная зона и основной металл прямолинейного патрубка, подвергнутого предварительной РР, имеют идентичную микроструктуру с измельченным зерном, что способствует равномерности пластических деформаций при последующих гибочных операциях.

5. Повышению равномерности пластических деформаций и несущей способности особотонкостенной трубной заготовки при формообразовании крутоизогнутых патрубков методами раздачи трубной заготовки внутренним давлением эластичной среды и проталкивания через криволинейный ручей матрицы с приложением внутреннего давления наполнителя в разъемных матрицах способствуют следующие технологические приемы:

а) формование на заготовке дополнительных выпуклых поверхностей;

б) выполнение скосов симметричными относительно плоскости окружного сечения, делящей трубную заготовку на две равные части;

в) установка во внутренней полости трубной заготовки части цилиндрической оболочки симметрично наименьшей образующей, ориентированной преимущественно в меридиональном направле-

нии, и части цилиндрической оболочки, ориентированной преимущественно в окружном направлении, установленной симметрично наибольшей образующей;

г) использование штампа с клиновыми и плоскими плитами, установленными по внутренним боковым взаимно перпендикулярным стенкам контейнера, и рычагами, шарнирно соединенными с двумя клиновыми и одной из плоских плит.

6. Отформованные круто изогнутые патрубки обладают минимальной разнотолщинностью: максимальная величина относительного утонения составляет 13%, утолщения 17,5%.

7. Разработанный способ гибки патрубков раздачей позволяет интенсифицировать процесс производства элементов особо- и свех-тонкостенного трубопровода за счет сокращения уровня брака на 40% и себестоимости изготовления — в 1,3 раза.

8. Узлы титанового трубопровода с крутоизогнутыми патрубками из сплава ВТ1-0, отштампованными с использованием разработанных способов, имеют циклическую долговечность, превышающую в 1,2-2 раза ресурс планера ЛА в 30000 летных часов.

9. Технологический процесс гибки патрубков проталкиванием через криволинейный ручей матрицы с приложением внутреннего давления эластичного наполнителя внедрен в производство при постановке изделий авиационной техники в ОАО «Воронежское акционерное самолетостроительное общество» с экономическим эффектом 450000 руб.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Болтенкова, О.М. Определение параметров штамповки раздачей крутоизогнутых и ступенчатых патрубков [Текст] / О.М. Болтенкова, А.И. Кочегаров // Авиационная промышленность. - 2011. -№4.-С. 41 -47.

2. Болтенкова, О.М. Испытания на ресурс элементов трубопровода / [Текст] О.М. Болтенкова, О.Ю. Давыдов, В.Г. Егоров // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева (национального исследовательского университета). - 2012. - № 4 (35). - С. 134 - 137.

3. Болтенкова, О.М. Моделирование равномерного пластического течения при гибке патрубков [Текст] / О.М. Болтенкова // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. - 2013. - № 2 (56).- С. 80 - 83.

4. Егоров, В.Г. Совершенствование гибочных операций тонкостенных трубопроводов [Текст] / В.Г. Егоров, О.Ю. Давыдов, О.М. Болтенкова // Заготовительные производства в машиностроении. -2013,-№9.-С. 23 -28.

Патенты на изобретение

5. Пат. 2391166 Российская Федерация, МПК7 В21С 37/28, B21D 37/02. Штамп для формообразования полых деталей из трубных заготовок [Текст] / Егоров В.Г., Голуб В.В., Кочегаров А.И., Болтенкова О.М.; заявитель и патентообладатель ООО «АКВА-ПАСКАЛЬ». - № 2008137895; заявл. 22.09.2008; опубл. 10.06.2010, Бюл. № 16,- 12 с.

6. Заявка № 2012127495/02 Российская Федерация, МПК7 В21 D 22/02. Способ формообразования крутоизогнутых патрубков [Текст] / Егоров В.Г., Давыдов О.Ю., Болтенкова О.М.; заявитель и патентообладатель ООО «АКВАПАСКАЛЬ». - заявл. 02.07.2012; решение о выдаче патента от 14.10.2013.

Статьи и материалы конференций

7. Моделирование формообразования осесимметричных элементов трубопровода в разъемных матрицах [Текст] / В.Г. Егоров, О.Ю. Давыдов, П.Д. Чудаков, О.М. Болтенкова // Наука и технологии. Секция 3. Динамика и прочность. - Краткие сообщения XXVII Российской школы, посвященной 150-летию К.Э. Циолковского, 100-летию С.П. Королева и 60-летию Государственного ракетного центра «КБ им. Академика В.П. Макеева». - Екатеринбург УрО РАН, 2007. - С. 64 - 66.

8. Способ формообразования полых деталей тонкостенного трубопровода [Текст] / В.Г. Егоров, О.Ю. Давыдов, М.В. Танеев, О.М. Болтенкова // Сборник трудов пятой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». - Санкт-Петербург, 2008.-Т. 13.-С. 329-330.

9. Гибка раздачей крутоизогнутых патрубков [Текст] / В.Г. Егоров, О.Ю. Давыдов, М.В. Танеев, О.М. Болтенкова П Материалы XLIX Отчетной научной конференции за 2010 год. - Воронеж: ВГТА, 2011,-4.2.-С. 135.

10. Егоров, В.Г. Сравнительный анализ способов гибки тонкостенного трубопровода [Текст] / В.Г. Егоров, О.Ю. Давьщов, О.М. Болтенкова // Материалы XLIX Отчетной научной конференции за 2010 год. - Воронеж: ВГТА, 2011. - 4.2. - С. 140.

11. Болтенкова, О.М. Моделирование кинематики пластического течения при гибке патрубков раздачей [Текст] / О.М. Болтенкова, А.И. Кочегаров // Наука и технологии. Материалы XXXI Всероссийской конференции. - Миасс: МСНТ, 2011. - С. 125 - 131.

12. Болтенкова, О.М. Показатели качества при гибке патрубков раздачей [Текст] / О.М. Болтенкова, О.Ю. Давыдов, В.Г. Егоров // Механика и процессы управления. Материалы XXXXI Всероссийского симпозиума. - М.: РАН, 2011.-С. 251 -256.

13. Boltenkova, О.М. Shaping machine of high resourced pipeline elements [Текст] / О.М. Boltenkova // Safety in Aviation and Space Technologies. Proceedings of the 5-th World congress «Aviation in the XXI-st century ». - Kyiv: NAU. - 2012. - Vol. 1. - P. 1.2.19 - 1.2.20.

14. Болтенкова, О.М. Интенсификация процесса формообразования элементов тонкостенного трубопровода с изогнутой осью [Текст] / О.М. Болтенкова // Материалы Международной научно-технической конференции «Адаптация технологических процессов к пищевым машинным технологиям». — Воронеж: ВГУИТ. — 2012. - Ч. 3. - С. 89 - 94.

15. Болтенкова, О.М. Применение раскатных трубных заготовок в операциях гибки патрубков [Текст] / О.М. Болтенкова, О.Ю. Давыдов, В.Г. Егоров // Материалы LI Отчетной научной конференции за 2012 год. - Воронеж: ВГУИТ, 2013. - 4.2. - С. 137.

Подписано в печать 07.11.2013.

Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный университет инженерных технологий»

0420'!

на правах рукописи

БОЛТЕНКОВА Оксана Михайловна

РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССОВ ГИБКИ ТОНКОСТЕННЫХ КРУТОИЗОГНУТЫХ ПАТРУБКОВ ПРОТАЛКИВАНИЕМ И РАЗДАЧЕЙ ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК

Специальность 05.02.09 - Технологии и машины обработки давлением

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Егоров Владислав Геннадьевич

ВОРОНЕЖ 2013

Содержание

Введение..................................................................................................................................................................5

1. Обзор методов формообразования трубчатых деталей с изогнутой осью........................................................................................................................................................................10

1.1. Конструктивные особенности изогнутых элементов трубопровода летательных аппаратов (ЛА)..................................................................................................................12

1.2. Анализ существующих способов и оснастки для формообразования крутоизогнутых и ступенчатых патрубков..............................................................................13

1.3. Классификация браковочных признаков и пути предотвращения их

возникновения................................................................................................................................................28

Выводы......................................................................................................................................................................35

2. Теоретический анализ процессов гибки патрубков раздачей

внутренним давлением..............................................................................................................................36

2.1. Определение энергосиловых параметров процесса................................................36

2.1.1. Математическое описание геометрии готового изделия..............................36

2.1.2. Анализ кинематики пластического течения............................................................40

2.1.3. Построение кинематически возможного поля перемещений..................44

2.1.4. Определение внутреннего давления наполнителя при гибке патрубков раздачей....................................................................................................................................45

2.1.4.1. Определение работы внутреннего давления наполнителя......................45

2.1.4.2. Определение работы пластической деформации........................................47

2.1.4.3. Определение работы сил трения....................................................................................52

2.1.4.4. Определение работы, затрачиваемой на сжатие наполнителя.... 54

2.1.4.5. Учет упрочнения при гибке патрубков раздачей............................................55

2.3. Построение номограмм для определения давления раздачи..................58

Выводы......................................................................................................................................................................63

3. Организация и проведение экспериментальных исследований..................64

3.1. Получение трубных заготовок для изготовления крутоизогнутых

патрубков................................................................................................................................................................64

3.1.1. Изготовление трубных заготовок ротационной раскаткой........................64

3.1.2. Рабочая оснастка и инструмент для ротационной раскатки......................71

3.2. Описание экспериментального штампового инструмента..............................71

3.3. Экспериментальное определение энергосиловых параметров процесса....................................................................................................................................................................75

3.3.1. Эластичный наполнитель..........................................................................................................75

3.3.2. Смазки и подсмазочные покрытия....................................................................................76

3.3.3. Проведение экспериментов по определению значения давления

эластичного наполнителя........................................................................................................................77

Выводы..................................................................................................................................................................83

4. Расширение технологических возможностей формообразования элементов трубопровода с изогнутой осью............................................................................88

4.1. Повышение несущей способности особотонкостенной трубной заготовки..................................................................................................................................................................88

4.2. Повышение равномерности пластических деформаций....................................97

4.3. Создание специализированного оборудования и оснастки............................124

Выводы......................................................................................................................................................................134

5. Контроль качества отштампованных элементов трубопровода......................137

5.1. Определение разнотолщинности отштампованных трубчатых деталей........................................................................................................................................................................137

5.1.1. Определение средней толщины труб и разнотолщиности..........................137

5.1.2. Определение толщины стенки патрубков..................................................................139

5.1.3. Определение среднего диаметра патрубка и овальности..............................144

5.1.4. Определение степени деформации при гибке патрубков раздачей... 145

5.2. Организация и проведение ресурсных испытаний патрубков......................145

Выводы......................................................................................................................................................................153

Общие выводы....................................................................................................................................................154

Список литературы........................................................................................................................................157

Приложение 1..........................................................................................................................................................................167

Приложение 2......................................................................................................................................................196

Приложение 3

Введение

Актуальность темы. Развитие авиастроения является одним из ключевых приоритетов российской промышленной политики. Создаваемые летательные аппараты (JIA) должны отличаться от предшествующих поколений авиационной техники повышенным ресурсом и уменьшенной полетной массой изделия.

Одним из элементов трубопроводных систем JIA является крутоизогнутый патрубок, который относится к разряду особо- и сверхтонкостенных элементов трубопровода, так как отношение D/t (D -диаметр трубной заготовки, t — толщина стенки трубной заготовки) имеет следующие значения: зо < D/t < 130 - для особотонкостенных и Dit > 130 - для сверхтонкостенных. На данный момент для получения особотонкостенных крутоизогнутых патрубков наиболее приемлемым способом является гибка проталкиванием через криволинейный ручей матрицы с приложением внутреннего давления наполнителя. В настоящие время этот способ хорошо изучен теоретически, однако вопросы повышения несущей способности входного торца трубной заготовки и равномерности пластических деформаций не решены, что влечет за собой возникновение гофров и разрывов материала на готовых изделиях. Способа для изготовления качественных патрубков, с отсутствием браковочных признаков, при отношении D/t> 130 в настоящие время не существует.

Поэтому необходимо выдать практические рекомендации для изготовления особотонкостенных крутоизогнутых патрубков и создать способ для изготовления сверхтонкостенных патрубков, которые позволили бы снизить полетную массу изделия, повышая при этом ресурс планера ДА.

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» на кафедре «Техническая механика» в 2010-2013 гг. в соответствии с государственным контрактом № 13411.1003899.18.001 от 29.12.2012 г. на выполнение опытно-

конструкторской работы «Создание нового семейства ближне-среднемагистральных самолетов», шифр «Развитие МС-21».

Целью работы является совершенствование имеющихся и создание новых способов, технологических процессов и устройств для получения элементов высокоресурсного трубопровода с изогнутой осью, разработка научно обоснованных рекомендаций для выбора оптимальных режимов процессов их формообразования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Определить кинематику пластического течения при гибке патрубков раздачей внутренним давлением эластичной среды.

2. Провести теоретическое обоснование выбора величины основных энергосиловых параметров процесса формообразования крутоизогнутых патрубков раздачей.

3. Экспериментально определить величину давления раздачи процесса формообразования сложнопрофильного полуфабриката крутоизогнутого патрубка.

4. Создать и усовершенствовать способы для изготовления крутоизогнутых патрубков с повышенным ресурсом и минимальной полетной массой, а также устройства для их реализации.

5. Разработать технологию формообразования элементов высокоресурсного трубопровода с изогнутой осью.

6. Определить ресурсные характеристики натурных узлов трубопровода с формообразованными элементами типа «крутоизогнутый патрубок».

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены на основе метода верхней оценки. Эксперименты проводились на специализированной установке на базе универсального гидравлического пресса с использованием разработанной и созданной для производства крутоизогнутых патрубков штамповой оснастки. Качество трубных заготовок

и готовых изделий оценивали при помощи современного испытательного оборудования.

Научная новизна работы

1. Разработана модель, описывающая кинематику пластического формоизменения тонкостенного сложнопрофильного полуфабриката крутоизогнутого патрубка, позволяющая установить связь между геометрией детали, интенсивностью деформации и энергосиловыми параметрами процесса раздачи.

2. Разработаны и научно обоснованы способы гибки особо- и сверхтонкостенных крутоизогнутых патрубков, повышающие равномерность формоизменения в зонах пластического течения и несущую способность стенки входного торца трубной заготовки.

3. Установлены режимы предварительной ротационной раскатки (РР) прямошовных трубных заготовок, при которых структура материала сварного шва и околошовной зоны может быть максимально приближена к структуре основного металла трубной заготовки, что способствует повышению равномерности пластического формоизменения в последующих гибочных операциях.

Практическая значимость

1. Разработаны и внедрены технологические процессы гибки проталкиванием и раздачей особо- и сверхтонкостенных трубных заготовок с применением внутреннего давления наполнителя.

2. Построены номограммы для определения энергосиловых параметров процесса раздачи сложнопрофильного полуфабриката крутоизогнутого патрубка из трубной заготовки.

3. Установлено, что предложенная технология изготовления крутоизогнутых патрубков позволяет снизить уровень брака на 40%, себестоимость готовых изделий в 1,3 раза.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены при постановке производства изделия АН-148 в ОАО «Воронежское акционерное самолетостроительное общество».

Апробация работы. Основные положения работы прошли обсуждение на международных и российских научных конференциях: XXVII Российской школе, посвященной 150-летию К.Э. Циолковского, 100-летию С.П. Королева и 60-летию Государственного ракетного центра «КБ им. Академика В.П. Макеева (Екатеринбург, 2007), пятой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2008); ХЫХ Отчетной научной конференции преподавателей и научных сотрудников ВГТА (Воронеж, 2011); ХХХХ1 Всероссийском симпозиуме «Механика и процессы управления» (Миасс, 2011); XXXI Всероссийской конференции «Наука и технологии» (Миасс, 2011); V всемирном конгрессе «Авиация в XXI столетии» - «Безопасность в авиации и космические технологии» (Киев, 2012); международной научно-технической конференции «Адаптация технологических процессов к пищевым машинным технологиям» (Воронеж, 2012); Ы Отчетной научной конференции преподавателей и научных сотрудников ВГУИТ (Воронеж, 2013).

Публикации. По теме диссертации получен один патент РФ, основное содержание работы опубликовано в 15 печатных работах, из которых 4 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В опубликованных работах личный вклад автора заключается: [1] - в определении внутреннего давления раздачи и интенсивности деформаций при штамповке крутоизогнутых и ступенчатых патрубков; [2] - в проведении сравнительного анализа данных, полученных в ходе ресурсных испытаний элементов трубопровода; [3] - в получении зависимости для определения угла скоса трубной заготовки; [4] - в определении геометрических размеров частей цилиндрических оболочек, повышающих несущую способность торца трубной заготовки; [5] - в предложении выполнить плоские и клиновые плиты с захватами,

расположенными в зацеплении с пазами нижней полуматрицы; [6] - в предложении части параметров формулы для определения внутреннего давления эластичного наполнителя; [7] - в определении оптимального значения относительного напряжения осадки; [8] - в апробации способа формообразования полых деталей; [9] — в разработке математической модели геометрии патрубка, включая его сферические участки; [10] - в сравнительном анализе способов гибки тонкостенного трубопровода; [11] - в моделировании кинематики пластического течения материала трубной заготовки во время процесса гибки патрубков раздачей; [12] - в экспериментальном определении толщины стенки патрубка и степени деформации при гибке патрубков раздачей; [13] - в создании экспериментальной штамповой оснастки для формообразования крутоизогнутых патрубков; [14] — в апробации способа формообразования крутоизогнутых патрубков проталкиванием; [15] - в разработке экспериментального устройства для изготовления особотонкостенных трубных заготовок методом ротационной раскатки.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 75 наименований и 3 приложений. Основная часть работы изложена на 222 страницах и содержит 60 рисунков и 3 таблицы.

1. Обзор методов формообразования трубчатых деталей с изогнутой осью

В настоящей работе рассматриваются технологические процессы формообразования такого унифицированного элемента, как крутоизогнутый патрубок. Основные типы этого элемента трубопроводной системы представлены в табл. 1.1.

Наиболее используемым на предприятиях отрасли технологическим процессом изготовления элементов с изогнутой осью является штамповка двух половин с последующей их ручной сваркой [1]. Опыт эксплуатации трубопроводов показал, что уже по истечении 4500 - 5000 часов по линии сплавления продольного шва возникали и развивались усталостные трещины в ходе воздействия пульсирующего давления и переменных температур.

Поэтому в современном производстве для изготовления элементов трубопроводных систем целесообразнее применять цельнотянутые, прямошов-ные или раскатные трубные заготовки.

Таблица 1.1.

Основные типы унифицированных изогнутых элементов трубопроводных

систем.

№ п/п Эскиз типового представителя Элементы трубопровода

1 ír Патрубок крутоизогнутый с одним прямым участком

2 4, / Труба длинномерная гнутая

3 г / Патрубок крутоизогнутый с двумя прямыми участками

4 | Угольник штамповосварной

1.1. Конструктивные особенности изогнутых элементов трубопровода летательных аппаратов (ЛА)

Выбор способа гибки элементов трубопровода зависит от материала трубной заготовки, а также от следующих геометрических параметров: радиуса и угла гиба трубной заготовки, отношения диаметра заготовки к толщине стенки, длины прямых участков у крутоизогнутого патрубка.

Определяющую роль при выборе способа и устройства для гибки, имеет значение отношения — (£) - диаметр трубной заготовки, t - толщина

стенки трубной заготовки), в зависимости от значения этого отношения трубопроводные системы подразделяют на следующие типы:

15< — <30 - тонкостенные трубопроводные системы.

30 < — < 130 — особотонкостенные трубопроводные системы.

130 - сверхтонкостенные трубопроводные системы.

При выборе способа формообразования принимается во внимание значение радиуса гиба по средней линии Я и угла гиба /?. В настоящее время можно получать патрубки со следующими параметрами:

0,75£><Д<5£>, 0° < /? <180°.

Способы и устройства должны обеспечивать получение качественных готовых изделий, т.е. получение минимального искажения поперечного сечения у крутоизогнутого патрубка, отсутствие гофров в зоне малого радиуса изгиба, наименьшую разнотолщинность материала патрубка, сохранение исходной шероховатости изделия - как наружной, так и внутренней. И в то же время ресурс готовых деталей не должен быть меньше ресурса планера изделия, а их полетный вес - минимально возможным из условия прочности.

1.2. Анализ существующих способов и оснастки для формообразования крутоизогнутых и ступенчатых патрубков

К основным способам изготовления крутоизогнутых патрубков отно-сятсятся: гибка вальцовкой, гибка с нагревом ТВЧ, гибка раскаткой с утонением стенки, гибка наматыванием, гибка раздачей эластичной ср